(57)【要約】      （修正有）【課題】高温流体流路からの廃熱を効果的に回収し再利用する廃熱回収装置を提供する。【解決手段】廃熱回収装置１０は、伝熱管群とファン１６とを有する。伝熱管群１２は、長尺円筒の高温流体流路となるキルンシェル１１０の外表面の周方向に近接配置させた伝熱管の内部に空気を通気させてキルンシェル１１０からの輻射熱で空気を加熱する。ファン１６は、伝熱管群の末端部に接続し、加熱した空気を吸引してキルンシェル１１０の焼成用バーナ１１６に燃焼用空気として供給する。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
燃焼した高温流体が通流する外部に露出している高温流体流路の周面に沿って設けた反射部と、
前記高温流体流路と前記反射部との間に配設され、内部を空気が流れる複数の伝熱管と、
前記伝熱管を通過した前記空気を燃焼用空気として燃焼装置に供給する空気供給部と、
を有することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
複数の前記伝熱管は、千鳥状に配置してあることを特徴とする請求項１記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記高温流体流路は、ロータリーキルン、ロータリードライヤ、回転炉、又は高温配管のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の廃熱回収装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、特にロータリーキルン、焼成・焼結炉などの高温流体流路から発生する廃熱を有効利用する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７はセラミックス原料やセメントなどの焼成を行うロータリーキルンの構成概略を示す図である。図示のようにセラミックス原料やセメント原料１００は、所定の粒度に粉砕して原料サイロ１０２に貯蔵されている。セラミックス原料やセメント原料１００は原料サイロ１０２からプレヒータ１０４に供給されて予め加熱される。なおプレヒータ１０４を設置しない場合もある。加熱したセラミックス原料やセメント原料１００は、ロータリーキルン１０６の原料供給口１０８に導入される。
【０００３】
ロータリーキルン１０６を構成するキルンシェル１１０は、円形の鉄膜の内側に耐火性のレンガを円筒状に設けた長尺の加熱炉であって、一定の速度で軸回りに回転している。またロータリーキルン１０６の原料供給口１０８は排出口１１４よりも僅かに高く設置されているため、ロータリーキルン１０６は上方の原料供給口１０８から下方の排出口１１４に向かって傾斜している。ロータリーキルン１０６の排出口１１４には焼成用バーナ１１６を設けている。焼成用バーナ１１６はキルンシェル１１０内部を下方の排出口１１４から上方の原料供給口１０８に向かって加熱している。焼成用バーナ１１６は、外部空気をその酸化源として燃料を燃焼させ高温ガスとしシェル内部に供給して加熱している。ロータリーキルン１０６の原料供給口１０８には、内部の加熱によって生じた排気ガスの回収管１１２を設けてあり、熱交換器１１３に接続している。熱交換器１１３は排気ガスの熱交換を行って前記プレヒータ１０４の加熱などに利用している。
【０００４】
原料供給口１０８に供給されたセラミックス原料やセメント原料１００は、ロータリーキルン１０６内部で焼成されながら排出口１１４に向かって移動する。排出口１１４に設けられた焼成用バーナ１１６によって原料はバーナの火炎部でその焼成結晶変性に要求される温度約１５００℃〜約１９００℃まで加熱される。炉内で加熱されたセラミックス原料やセメント原料１００は、焼成されて半製品あるいは焼成・焼結物となる。半製品あるいは焼成・焼結物は、排出口１１４に接続するクーラ１１８に導入されて冷却される（例えば、特開２００２−３４６５４０号公報に示す）。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
セラミックスやセメントクリンカを焼成するロータリーキルンは、数十メートルにもおよぶ長尺の加熱焼成炉であり、外表面の温度は原料供給口側と排出口側で温度が異なっている。原料の焼成に例えば焼成用バーナを設置した排出口側の内部温度は約１５００℃〜約１９００℃となり、キルンシェルの中央近辺の内部温度は約１０００℃〜約１３００℃となり、原料供給口側の内部温度は約６００℃〜約１０００℃となる。このためキルンシェルの外表面の温度は、焼成用バーナを設けた排出口側で約４００℃であり、原料供給口側で約３５０℃となる。ロータリーキルンは外径が１メートル以上の長尺で軸回りを回転し、表面を外部（大気中）に露出している。このため従来はロータリーキルンの表面から放射される熱は、そのまま廃熱として大気中に放出されていた。しかしこのような特殊な構造の表面から放射される廃熱の有効な回収が望まれていた。
【０００６】
ところでロータリーキルンは、セラミックスやセメントクリンカの排出側の開口から空気を導入し、その一部を燃焼反応に使用し、燃焼して得た高温の燃焼ガスによって空気を加熱し、原料と反応させている。ロータリーキルンは、空気の取込み量及び、その条件が内部温度、反応速度に影響する。そのため燃焼用空気を含め、反応に用いるガスの温度をできるだけ高い状態でロータリーキルンに導入することが望ましい。
【０００７】
上記従来技術の問題を改善するため本考案は、高温流体流路からの廃熱を回収して再利用可能な廃熱回収装置を提供することを目的としている。
また本考案は、高温流体流路の燃焼装置に用いる燃焼用の空気温度を上昇させることを目的としている。
さらに本考案は、高温流体流路の燃焼装置に用いる燃料の消費量を低減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本考案に係る廃熱回収装置は、燃焼した高温流体が通流する外部に露出している高温流体流路の周面に沿って設けた反射部と、前記高温流体流路と前記反射部との間に配設され、内部を空気が流れる複数の伝熱管と、前記伝熱管を通過した前記空気を燃焼用空気として燃焼装置に供給する空気供給部と、を有することを特徴としている。この場合において、複数の前記伝熱管は、千鳥状に配置するとよい。前記高温流体流路は、ロータリーキルン、ロータリードライヤ、回転炉、又は高温配管のいずれかであるとよい。
【考案の効果】
【０００９】
上記構成による本考案によれば、高温流体流路の表面に近接させて伝熱管を配置するとともに、高温流体流路の表面から放射する廃熱を反射部によって伝熱管側に反射させているため、高温流体流路表面から放射される廃熱を効率良く回収できる。したがって伝熱管の内部を流れる空気を効率良く加熱でき、燃焼装置に供給する空気の温度を高めることができる。このためロータリーキルンにおいては、燃焼用空気の温度が高くなり、燃料の消費量を低減することができ、さらには二酸化炭素の排出量を削減することができる。
【００１０】
また複数の伝熱管は千鳥状に配置している。このため高温流体流路から放射される廃熱を各伝熱管に直接均一に与えることができるとともに、外側に配置した反射部により、各伝熱管の隙間を漏れ出た放射熱を再び伝熱管側に反射できるため、より効率的に廃熱を回収することができる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１１】
本考案に係る廃熱回収装置の実施形態を添付の図面に従って以下詳細に説明する。図１は実施形態に係る廃熱回収装置の構成概略を示す図である。図２は図１のＡ−Ａ断面を示す図である。図３は実施形態に係る伝熱管群の配置状態を示す展開図である。なお背景技術で示した図７のロータリーキルンと同一の構成については同一の符号を付して説明する。
【００１２】
実施形態に係る廃熱回収装置１０は、長尺円筒の高温流体流路の外表面を長手方向にゾーンごとに区切って配置した伝熱管群１２と、伝熱管群１２の吸込み部に設けた吸込みダクト１４と、伝熱管群１２の末端側に接続する空気供給部となるファン１６とを主な構成要件としている。なお本実施形態では、例えば高温流体として高温ガスを用い、長尺円筒の高温流体流路としてセメントクリンカなどを製造するロータリーキルンを用いて説明する。
【００１３】
伝熱管群１２は図１に示すように、ロータリーキルンを構成するキルンシェル１１０の外表面をゾーン（群単位）ごとに区切って複数形成している。本実施形態では、キルンシェル１１０を３つのゾーンに区切ってあって、各ゾーンに伝熱管群１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が配置してある。各伝熱管群１２は、伝熱管群１２ａ，１２ｂ間を配管１８ａにより、伝熱管群１２ｂ，１２ｃ間を配管１８ｂによりそれぞれ連通させている。
【００１４】
図２に示すように伝熱管群１２は、キルンシェル１１０の周面に沿って設けてあり、断面が扇形状であって、回転するキルンシェル１１０の外表面に僅かな隙間ｅを開けて近接配置してある。伝熱管群１２は、図３に示すようにストレートのパイプ状の伝熱管２０を複数備えている。複数の伝熱管２０は長手方向がキルンシェル１１０の長手方向に沿って配設してあり、キルンシェル１１０の軸心から外方に向かって内側と外側の２列の放射状に並べて設置している。内側と外側の伝熱管２０は、個々の伝熱管同士が隙間を埋めるように千鳥状に設置してある。伝熱管群１２の両端は接続部２２で覆ってある。接続部２２は個々の伝熱管同士がその流量を一定にするため通気可能なスペースを形成している。さらに接続部２２はキルンシェル１１０の周囲に設けた図示しない架台に設置し固定してある。接続部２２は伝熱管２０の内部空気が外部に放出されないように気密性を保持してある。接続部２２には伝熱管群１２同士を接続する配管１８が接続する開口２４が設けてある。また伝熱管群１２の長手方向の中央部には伝熱管２０の半径方向にサポート（伝熱管固定板）２６を設け、各伝熱管２０を固定している。サポート２６は接続部２２と同様にキルンシェル１１０の周囲に設けた図示しない架台に設置し固定してある。さらに伝熱管群１２の外表面には反射部となり、また、外部への放熱を防ぐ保温材３０を設けている。伝熱管２０を保温材３０で覆うように設置して、高温流体流路となるキルンシェル１１０から伝熱管２０の隙間を通じて外部へ流れる輻射熱を伝熱管２０側に反射し、輻射熱（放射熱）を外部に放出しないように構成している。また図２に示すようにサポート２６の下方には対流防止板２７を設けるとよい。対流防止板２７は、本実施形態では例えば断面矩形であって、伝熱管群１２に沿った長板を用いている。対流防止板２７は、長手方向の中間部をサポート２６に配置し、端部を接続部２２に配置して、キルンシェル１１０と伝熱管群１２との間に形成した隙間ｅの幅を任意に調整できるように構成してある。これにより、キルンシェル１１０の回転によってキルンシェル１１０の周囲に対流が発生した場合、この対流が、隙間ｅに流れ込んで加熱された伝熱管群１２を冷却してしまうことを防止できる。
【００１５】
なお図３は保温材３０を省略した外側の伝熱管２０の配置状態を示す展開図である。同図には前記対流防止板を省略してある。また図２に示すように伝熱管群１２は、長尺円筒のキルンシェル１１０の法線方向ｓと一致するように設けてあり、曲率中心がキルンシェルの軸心に一致している。
【００１６】
燃焼装置となる焼成用バーナ１１６側に配置した伝熱管群１２ａの空気吸い込み口には、吸込みダクト１４が設けてある。図４は図１のＢ−Ｂ断面を示す図である。図５は実施形態に係る吸込みダクトの側面図を示している。吸込みダクト１４は、焼成用バーナ１１６側に設けた伝熱管群１２ａの吸込み部分に接続している。また図４に示すように吸込みダクト１４は、キルンシェル１１０の上側略半分を覆うフード状に形成している。吸込みダクト１４は、回転するキルンシェル１１０と必要とする空気流量に調整される隙間ｆを設けて固定してあり、頂部に集合管３２が設けてある。集合管３２は伝熱管群１２ａの接続部２２に接続している。また吸込みダクト１４の下端部には、調整板３３を設けるとよい。調整板３３は、本実施形態では例えば断面矩形であって、キルンシェル１１０の長手方向に沿った長板を用いている。調整板３３は、吸込みダクト１４の下端部に配置して、キルンシェル１１０と吸込みダクト１４との間に形成した隙間ｆの幅を任意に調整できるように構成してある。これにより、隙間ｆの幅を変えることによって吸込みダクト１４の吸込み量を任意に調整でき、効率よく均等な空気吸引を行うことができる。
【００１７】
伝熱管群１２の末端側、すなわち伝熱管群１２ｃの出口側接続部２２にはファン１６が接続している。ファン１６の吹き出し側には、配管１８ｄの一端が接続してある。配管１８ｄは、ファン１６とともに空気供給部を構成しており、他端が焼成用バーナ１１６の燃焼空気導入部１１６ａに接続してある。ファン１６は、伝熱管群１２内で加熱された空気を吸引して、燃焼用の空気として焼成用バーナ１１６に供給している。
【００１８】
上記のごとく構成した本考案において、稼動中のロータリーキルンはキルンシェル１１０の排出口側の内部温度が約１５００℃〜約１９００℃となり、キルンシェルの中央付近の内部温度が約１０００℃〜約１３００℃となり、原料供給口側の内部温度が約６００℃〜約１０００℃となり、シェル内部を移動するセラミックス原料やセメントの焼成反応がなされる。この間キルンシェル１１０の外表面は、内部の熱によって約３００℃〜約４００℃前後の高温状態となっている。
【００１９】
ファン１６を駆動させると焼成用バーナ１１６側に設けた吸込みダクト１４のフードを伝わってキルンシェル１１０の周囲の空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は、吸込みダクト１４に接続した伝熱管２０に流入する。伝熱管２０内の空気は、複数のゾーンごとに配置された伝熱管群を経由してファン１６に流入する。そしてファン１６の吐出側に接続する配管１８ｄを介して焼成用バーナ１１６の燃焼空気導入部１１６ａに供給される。
【００２０】
ダクト１４に吸い込まれる空気は、キルンシェル１１０によって約６０℃〜約１００℃に暖められる。ダクトに吸い込まれた空気は、集合管を介して伝熱管群１２ａの伝熱管２０に流入する。伝熱管２０の内部を流れる空気は、キルンシェル１１０の外表面から放射される廃熱によって加熱される。伝熱管群１２の複数の伝熱管２０は、キルンシェル１１０の周方向に沿って千鳥状に配置してあり、キルンシェル１１０の外表面から放射される廃熱を効率的に回収し、内部を流れる空気を加熱する。さらに伝熱管２０の外側に配置した保温材３０と、伝熱管２０との間には僅かな隙間ｇを形成してある。これにより図２中の矢印４０に示すように、保温材３０によって反射された輻射熱を伝熱管２０により回収し効果的に内部空気を加熱することができる。そして伝熱管群１２ｃから流出する内部空気は約２００℃まで上昇する。
【００２１】
すなわち２００℃の温度の空気が焼成用バーナ１１６の燃焼空気導入部１１６ａを介してキルンシェル１１０内に導入される。このため、キルンシェル１１０内における原料の焼成に利用される空気の温度を所定の温度（例えば１５００℃）に加熱するための燃料を削減することができる。
【００２２】
図６は実施形態に係る伝熱管群の変形例を示す説明図である。同図（１）は保温材３０を省略した外側の伝熱管の展開図を示し、（２）は保温材３０を省略した内側の伝熱管の展開図を示す。同図（１）のＣ−Ｃ断面および（２）のＤ−Ｄ断面は、図２に示す外側断面及び内側断面と同一の配置構成となる。図６に示すようにキルンシェルの半径方向の外側および内側に配置する伝熱管２０ａは、それぞれ蛇行させて、すなわち２回折り返して形成してあり、両端部を接続部２２ａに接続してある。また各伝熱管２０ａはキルンシェルの半径方向にサポート２６ａを設けて固定している。これにより単位流量当りの伝熱管２０ａ内を通過する内部空気の十分な受熱面積を得ることができる。また高温流体流路となるキルンシェル１１０の外表面と単位流量当りの伝熱管２０ａの接触面積を広く設定することができる。このように伝熱管群に複数折り曲げて蛇行させた伝熱管２０ａを用いると、通気する空気量が少なく、かつ単位流量当りの滞留時間及び受熱面積を大きくすることができ、内部空気の加熱温度を高くすることができる。
また伝熱管群の材質として銅管やアルミニウム管などより熱の吸収性の高い材料を使用すればさらに効果的に熱を回収することができる。
【００２３】
なお本実施形態では、伝熱管群を３つのゾーン（群単位）に配置する構成で説明したが、配置数はこれに限らず、任意に設定変更することができる。また伝熱管群は円筒状のキルンシェルの周方向に沿って扇状に覆う形状で説明したが、伝熱管群の配置構成はこれに限らず、キルンシェルを全面覆う構成、円筒状のキルンシェルの上半分を覆う構成、キルンシェルの周方向の１／４を覆う構成など、設置個所に応じて任意に設定変更することができる。また本実施形態では伝熱管群１２のうち１２ａ側より逐次空気が加熱される構成としたが、これに限らず、設置対象となる機器の配置構成によって、伝熱管群１２ｃ側から１２ａ側の方向に向かって加熱するように構成することもできる。さらに、高温流体流路としてロータリーキルンの他にも、ロータリードライヤ、回転炉、及び高温配管などを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係る廃熱回収装置の構成概略を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図３】実施形態に係る伝熱管群の配置状態を示す展開図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図５】実施形態に係る吸込みダクトの側面図である。
【図６】実施形態に係る伝熱管の変形例の説明図である。
【図７】従来のロータリーキルンの構成概略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０………廃熱回収装置、１２………伝熱管群、１４………吸込みダクト、１６………ファン、２０………伝熱管、２２………接続部、２４………開口、２６………サポート（伝熱管固定板）、２７………対流防止板、３０………保温材、３２………集合管、３３………調整板、１００………原料、１０２………原料サイロ、１０４………プレヒータ、１０６………ロータリーキルン、１０８………原料供給口、１１０………キルンシェル、１１２………回収管、１１３………熱交換器、１１４………排出口、１１６………焼成用バーナ、１１８………クーラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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